[发明专利]基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器及其制备方法。

背景技术

雪崩紫外光电探测器具有高灵敏度，高光学响应，响应速度快等优点，在高速调制和微弱信号监测方面有重要应用。对于硅基雪崩光电探测器达到雪崩条件需要高电压，功耗较大。因此，需要降低达到雪崩条件的电压。传统硅基PIN结型紫外探测器件需要热扩散或者离子注入工艺，而且对紫外光存在死层问题，响应随入射光波长的减小而迅速降低。因此，需要提高硅光探测器件对短波长可见光至紫外光的响应。

石墨烯是由单层sp²杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。石墨烯和硅接触可以形成肖特基结，制备工艺简单，在光电探测领域有广泛应用。

与传统结型器件相比，金属/半导体/金属(MSM)结构对光生载流子的收集既可以沿着结的纵向上收集，还可以横向收集。该结构对在表面产生的光生载流子具有更强的收集作用；平面结构侧向电容小，RC时间常数小，可以缩短响应时间，提高信噪比；两个背靠背的肖特基结在施加偏压情况下，一个结处于正向偏置，另一个结处于反向偏置，可以获得较小的暗电流。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器，包括：n型硅衬底、二氧化硅隔离层、二氧化硅窗口、二氧化硅绝缘层、顶电极、石墨烯叉指电极薄膜和抗反射层；其中，所述n型硅衬底的上表面覆盖二氧化硅隔离层，在二氧化硅隔离层上开有二氧化硅窗口，使二氧化硅隔离层成凹形结构；在二氧化硅隔离层相对的两侧的上表面各覆盖一顶电极，两个顶电极不连通，且边界小于二氧化硅隔离层的边界；在二氧化硅窗口与n型硅衬底交界处覆盖二氧化硅绝缘层；在二氧化硅隔离层开口的内侧壁、顶电极和二氧化硅绝缘层的表面覆盖石墨烯叉指电极薄膜，石墨烯叉指电极薄膜的两翼分别放在两个顶电极上，顶电极上表面石墨烯叉指电极薄膜的覆盖范围小于顶电极的边界；在二氧化硅绝缘层和石墨烯叉指电极薄膜的表面覆盖抗反射层。

进一步地，所述的二氧化硅绝缘层厚度为1.5nm～2.5nm。

进一步地，所述的顶电极是金属薄膜电极，金属材料为铝、金或金铬合金。

进一步地，所述的抗反射层是透明薄膜，材料为二氧化硅、三氧化二铝或氧化钛。

制备上述基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤：

(1)在n型硅衬底的上表面氧化生长二氧化硅隔离层，所用n型硅衬底的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层的厚度为100nm～500nm，生长温度为900～1200℃；

(2)在二氧化硅隔离层表面光刻出顶电极图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长50nm的金电极；

(3)在生长有顶电极的二氧化硅隔离层表面光刻出二氧化硅窗口图形，然后通过反应离子刻蚀技术，采用八氟环丁烷等离子体刻蚀二氧化硅隔离层并用缓冲氧化物刻蚀溶液去除残留的二氧化硅；其中，所述缓冲氧化物刻蚀溶液由NH₄F、HF和水组成，NH₄F：HF：H₂O＝60g:30ml:100ml；

(4)在二氧化硅窗口与n型硅衬底交界处采用快速热氧方法生长二氧化硅绝缘层；通入500sccm氮气和500sccm氧气，快速升温到900℃，反应30s；然后在500℃下退火10min；

(5)采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备石墨烯薄膜；

(6)在二氧化硅隔离层开口的内侧壁、顶电极和二氧化硅绝缘层的表面覆盖石墨烯薄膜；其中，石墨烯薄膜的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到二氧化硅隔离层开口的内侧壁、顶电极和二氧化硅绝缘层的表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO₄、HCl和水组成，CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:50ml:50ml；